真空聯(lián)合堆載預(yù)壓技術(shù)在道路工程中的應(yīng)用

孫 青 隋 乾 劉云龍

(1.膠州市城鄉(xiāng)建設(shè)局，山東 青島 266300； 2.青島市市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，山東 青島 266061)

1 概述

1.1 軟土定義

根據(jù)JGJ 83—2011軟土地區(qū)巖土工程勘察規(guī)程，天然孔隙比不小于1、天然含水率大于液限、具有高壓縮性、低強度、高靈敏度、低透水性和高流變性，且在較大地震力作用下可能出現(xiàn)震陷的細粒土。軟土的工程性質(zhì)包括黏力含量高、天然含水率高、天然孔隙比大、滲透系數(shù)小、高壓縮性、強度指標(biāo)小、靈敏度高等特點。

1.2 軟土路基主要病害類型

1)路基沉陷。當(dāng)車輛荷載作用于道路路基時，軟土地基由于未經(jīng)處治或處置不充分，導(dǎo)致地面比較軟弱、地面承載力不足，引起路基沉陷。

2)不均勻沉降。當(dāng)軟土地基處理不充分時，導(dǎo)致路基強度沿道路縱/橫向路基不一致，引起路基不均勻沉降，嚴重影響道路平整度，導(dǎo)致行車發(fā)生危險。

3)凍脹翻漿。由于軟土路基含水率過大，導(dǎo)致在冬季負溫影響下，路基中的水分不斷向上遷移、積聚而凍結(jié)，導(dǎo)致路基體積膨脹，引起路面開裂，從而凍脹；春季氣溫升高時，路基上部凍土先融化，因水分無法及時排出而使路基土泡水稀軟，在行車荷載作用下，泥漿沿路面裂縫被擠出，導(dǎo)致翻漿。

1.3 軟基處理目的

提高軟土的強度、降低其壓縮性，從而在道路使用過程中，不發(fā)生坑槽、沉陷、不均勻沉降等病害。

1.4 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法定義

真空和聯(lián)合堆載預(yù)壓法是將真空預(yù)壓法和堆載預(yù)壓法聯(lián)合使用的一種方法。在粘土層上鋪設(shè)砂墊層，然后用薄膜密封砂墊層，用真空泵對砂墊層和砂井抽氣，降低地下水位，固結(jié)地基；同時在砂墊層上方堆土或砂石，預(yù)先完成部分或大部分地基沉降，并能加速排水。

1.5 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法適用條件

1)適用軟土類型。軟土層厚度一般大于5 m；軟土層一般處于路基最頂層或不大于2 m的路基上層位置；剪切強度低：十字板剪切強度小于35 kPa；塑性指數(shù)大于25；天然含水量大于35%；壓縮模量一般在1 MPa～3 MPa之間；滲透系數(shù)不小于10-5cm/s(一般約10-7cm/s)。

2)方案比選。在道路路基處理過程中，常見兩大類思路：一是時間換金錢，二是金錢換時間。思路一為時間換金錢：一般為排水固結(jié)法，包括堆載預(yù)壓法(1年～2年)、真空預(yù)壓法(9個月)、真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法(6個月)。思路二為金錢換時間：一般包括換填法(軟基深度1 m～2 m)、拋石擠淤法(2 m～3 m)、強夯法(3 m～8 m)、攪拌樁法(6 m～10 m)、PCC樁法(10 m～20 m)。

當(dāng)工期較長、資金緊張時，宜選擇真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法。

2 青島某工程示例

青島市位于山東半島南部，南依黃海，在某些道路工程位于海濱時，需進行軟基處理，現(xiàn)以青島某工程示例詳解真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法。

2.1 地質(zhì)情況

1)地形地貌。工程周邊原為鹽田及蝦池，現(xiàn)狀地塊以回填為主，壩埂錯落，沿線場區(qū)地形整體較平緩。場區(qū)原地貌屬濱海淺灘，后經(jīng)人工回填改造。

2)巖土層分布。該工程現(xiàn)狀地面平均標(biāo)高為-1 m，第①層大部分為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(層厚5 m流塑～軟塑，地基承載力特征值fak=40 kPa～60 kPa，壓縮模量Es1-2=1 MPa～3 MPa)，零星位置上層附1 m～3 m厚土粗顆粒填土及黏性土素填土(軟塑～可塑狀態(tài))；第②層為粉質(zhì)黏土(可塑～硬塑，fak=190 kPa～240 kPa，壓縮模量Es1-2=6 MPa～9 MPa)；第③層為安山巖強風(fēng)化帶(厚1 m～6 m，fak=400 kPa～500 kPa。變形模量E0=25 MPa～30 MPa)；第④層為安山巖中等風(fēng)化帶(厚2 m～6 m，fa=2 000 kPa～2 800 kPa，彈性模量E=5×103MPa～-8×103MPa)，見圖1。

2.2 施工工藝

2.2.1施工流程

場地地表水疏干→場地整平→鋪設(shè)1.0 m砂性土工作墊層→鋪設(shè)下層30 cm排水砂墊層→粘土帷幕、打設(shè)塑料排水板(機具就位→定位→塑料排水板穿靴→沉管→拔管→割斷塑料排水板)→觀測設(shè)備埋設(shè)→埋設(shè)真空分布濾管→鋪設(shè)上層20 cm排水砂墊層→鋪設(shè)密封膜及土工布→真空泵安裝連接→抽真空→監(jiān)測→堆載砂性土→卸載。

2.2.2重要步驟難點解析

1)場地整平。由于工程沿線多為吹填土，為使設(shè)備能夠進入場地，需預(yù)先設(shè)置一條臨時便道，臨時便道宜采用砂礫土。結(jié)合地勘報告，沿線現(xiàn)狀道路表面局部存在粗顆粒素填土，回填碎石—塊石為主，影響塑料排水板插入，場地整平時應(yīng)進行挖除?，F(xiàn)狀回填碎石可作為路床整平回填土(為防止碎石刺穿密封膜，現(xiàn)狀碎石不可作為底層堆載荷載)。

2)預(yù)壓分區(qū)。預(yù)壓加固范圍較大時應(yīng)分區(qū)加固，分區(qū)面積宜為2萬m2～4萬m2。本工程處理路基約6萬m2，因此設(shè)置了兩個各約3萬m2的預(yù)壓分區(qū)。

3)設(shè)置排水墊層。墊層作用一為排水，二為整平，作為路基處理過程中，主要起到排水作用，宜選擇砂墊層，但為保證其反濾作用，防止大顆粒土壤堵塞，其滲透系數(shù)須不小于0.01 cm/s，含泥量小于3%。

4)設(shè)置粘土帷幕。因粘土具有很好地隔絕空氣和水的效果，保證施工范圍內(nèi)為真空密閉環(huán)境，因此預(yù)壓時用作設(shè)置帷幕，滲透系數(shù)須小于5×10-8cm/s，粘土帷幕樁參數(shù)：間距0.5 m、搭接0.2 m、樁徑約0.7 m、帷幕寬度0.7 m、樁長約1 m。粘土帷幕頂面開挖密封壓膜溝時，塑料排水板不剪斷，應(yīng)沿溝邊向上插入到砂墊層中至少0.2 m。用素粘土回填密封溝和填筑覆水圍埝，如圖2所示。

5)打設(shè)排水板。塑料排水板板頭埋入排水砂墊層中，與砂墊層貫通，并采取保護措施。塑料排水板插入長度：塑料排水板底高程在淤泥層底以上1 m，不穿透淤泥層，形成底面封閉層，以保證真空環(huán)境。排水板不得進行搭接，外部須用塑料帶包無紡?fù)凉げ紴V膜，如圖3，圖4所示。

6)設(shè)置濾管。真空分布濾管目的：將砂墊層中的水和空氣排出，保留砂子在外側(cè)，以保證排水砂墊層始終可以真空排水。參數(shù)：塑料軟管、直徑約60 cm、打孔加工、外包土工織物濾水層、設(shè)置于砂墊層中間位置、周邊用砂填實以防止非真空狀態(tài)。

7)密封膜。施工工藝：首先，將施工加載和監(jiān)測設(shè)施提前布置好并做好出密封膜時的密閉真空處理；其次，為保證其密封性能，建議使用兩層同時鋪設(shè)，并加鋪一層土工布以防密封膜受損。

材料要求：膜厚約0.15 mm±3 mm，材質(zhì)采用聚氯乙烯膜，邊長須外伸出加固區(qū)約3 m，材質(zhì)須具備一定的延展性及防穿破性。

8)射流真空泵。參數(shù)要求：膜內(nèi)真空度不小于650 mm泵柱；抽真空連續(xù)有效時間約90 d；真空壓力不小于96 kPa。

9)監(jiān)測。施工過程中，需對每個處理分區(qū)采用監(jiān)測儀器實施監(jiān)測，以保證軟土路基的加固效果。項目如下：地表沉降標(biāo)：監(jiān)測沉降量(P—T—S，S∞，Ch，U)；孔隙水壓力觀測儀：實測各土層在軟基處理過程中的孔隙水壓力消散情況和土的固結(jié)情況，繪制各土層的P—T—S曲線，推算各土層的固結(jié)度；深層分層沉降觀測儀：實測各土層的沉降及土層沿深度變化特征，繪制各土層P—T—S曲線，推算S∞，Ch，U；軟土處理采用分層總和法計算最終總沉降量在0.65 m～0.97 m范圍內(nèi)。設(shè)置深層側(cè)向位移觀測儀：觀測軟基處理過程中軟土的側(cè)向位移及深層滑動情況，繪制軟土層的P—T—Sxy曲線及各土層最大的側(cè)向位移。設(shè)置水位觀測儀：觀測軟路基處理過程中地下水位變化情況。軟路基處理前、后，各區(qū)鉆原狀孔和現(xiàn)場十字板孔各兩個，并對土樣進行物理力學(xué)實驗，以檢測軟路基處理前、后地基土的改良情況。設(shè)置邊樁：測定側(cè)向地面水平位移量并兼測地面沉降或隆起量，以監(jiān)測穩(wěn)定性。

10)上部堆載施工宜在真空預(yù)壓膜下真空穩(wěn)定度達到80 kPa且抽真空30 d后進行。砂性土厚度為2.0 m，堆載總荷載約為48 kPa，分一級等速加載，加載速率為6 kPa/d，加載完成后堆載預(yù)壓84 d，方可卸載進行管線敷設(shè)。

11)卸載標(biāo)準(zhǔn)：固結(jié)度大于80%、連續(xù)10 d沉降速率不大于1.5 mm/d、地基承載能力要求不低于130 kPa，工后沉降值小于30 cm。

2.3 施工工期

結(jié)合本工程，真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法施工工期約10個月，觀測工后沉降約11個月，具體施工工期如下：抽真空前施工工期：當(dāng)年3月初～8月初；抽真空工期：8月初～11月底；堆載工期：9月初～9月中旬；堆載預(yù)壓持續(xù)60 d卸載工期：9月中旬～11月底；觀測沉降量工期：4月初～11月底；觀測工后沉降工期：12月初～次年10月底。

3 結(jié)語

1)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓路基處理施工完成后道路使用期間，經(jīng)持續(xù)觀測工后沉降及平整度等參數(shù)，道路整體質(zhì)量較好，行車舒適性良好，達到了實際效果，獲得了業(yè)主及市民的好評。

2)對軟土地基采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓，能夠有效提高地基承載力、減少工后沉降，常用于濱海地區(qū)的大范圍軟黏土道路，但也存在其路基處理工藝上的局限性，受多種因素的制約影響，比如地基條件(土質(zhì)情況)、地基構(gòu)成及分布情況(軟土層厚度)、道路條件(道路等級、道路幾何形狀)、施工條件(工期、材料、施工機械作業(yè)面、對周邊環(huán)境影響)、投資等，工程實際過程中需結(jié)合不同的地質(zhì)情況采用合理的路基處理方式。